干道式高温热管的传热性能试验研究

干道式高温热管传热性能试验主要是为了获得干道式热管在不同温度范围的传热极限及重力场对传热极限的影响。在真空条件下启动热管,调节水套气隙氩气和氦气比例来测量声速极限,建立可调角度台架得到不同倾角下热管的极限传热性能。试验得到400～650 ℃工作温度下热管的极限传热功率曲线及不同倾角下热管的极限传热功率。此类热管510 ℃以下传热极限为声速限;±10°范围内重力对传热极限无影响;极限传热功率为2.8 kW。     

空间堆热管输热能力分析

为保证空间堆的传热安全,空间堆热管必须工作在各种传热极限以下,并能满足避免单点失效的安全要求。本文建立了空间堆热管黏性极限、声速极限、携带极限、沸腾极限和毛细极限5种传热极限计算方法,并改进了毛细极限计算模型。利用建立的方法计算了分段式热电偶转换的热管冷却空间堆电源系统堆芯锂热管、辐射散热器钾热管和碱金属热电转换的空间堆电源系统堆芯钠热管的传热极限。结果表明,空间堆用锂热管和钠热管的毛细极限分别为25.21kW和14.69kW,钾热管的声速极限为7.88kW,其传热设计冗余量分别大于19.4%、23.6%和43.2%。空间堆堆芯热管在正常运行时限制其热量输出的传热极限为毛细极限,而限制散热器钾热管正常运行时热量输出的传热极限为声速极限。     

TOPAZ-Ⅱ改进型热管辐射换热器传热单元数值研究

针对前苏联研制的TOPAZ-Ⅱ空间热离子反应堆,结合成熟的高温热管技术,对改进型热辐射换热器传热单元进行瞬态特性研究。采用有限元方法对热管瞬态启动特性进行数值模拟。翅片温度计算采用有限差分进行求解,并与热管壁面进行单向耦合传热。热管启动过程中采用Cotter热管极限理论,即重力极限、声速极限、携带极限来判定热管启动状态。研究结果表明：热管390 s内启动迅速,在启动第2阶段遇到声速极限,从而限制了热管启动时间。热管和翅片最终达到稳态,温度分布均匀,当量换热系数为1783.25 W/m²。热管换热单元能有效地将热量导入到外界。     

新概念熔盐堆非能动余热排出系统中钠热管的特性研究

高温钠热管作为一种高效的换热装置，在导热性、等温性以及非能动特性方面具有显著的优点。将高温钠热管应用到新概念熔盐堆非能动余热排出系统中具有重要的研究意义。本工作通过数值方法研究了高温钠热管在熔盐堆事故工况下的瞬态运行特性。钠热管的物理模型主要包括管壁、吸液芯及蒸汽区3个耦合传热区域。通过对上述3个区域建立合理的数学模型并采用有限元的方法，利用 FORTRAN进行编程，最终得到高温钠热管启动过程中的温度、速度、压力分布。结果表明：熔盐堆事故状态下，钠热管从启动到稳态过程中其运行特性良好且具有很高的传热效率。     

有芯和无芯高温重力钾热管启动性能试验研究

为研究有芯和无芯高温钾热管在重力状态下的启动性能，开展了相关对比与敏感性试验研究。得到有芯热管试验中的最优充液量为17.5 g，此充液量能避免充液量不足导致的启动升温较慢、末端温度低，也可避免充液量过大时间歇沸腾和过渡沸腾；无芯热管在启动和升温过程处于间歇沸腾工况，剧烈程度随充液量减少而降低，试验中最优充液量为9 g。在工程范围内，倾角对热管传热性能的影响可忽略。在试验状态下有芯钾热管启动性能优于无芯钾热管。     

高温热管内钠蒸发冷凝特性分子动力学研究

高温钠热管是热管堆中进行非能动热量传输的核心部件。为深入理解热管内工质钠的蒸发机理及气液交界的传热传质特性，用分子动力学软件LAMMPS模拟了600 K下钠的蒸发，统计了质量调节系数，定为0.388 7。随后变更壁温，打破体系内热质输运平衡，进行非平衡态模拟，观察液膜变化，求解气液交界处的净蒸发通量和换热系数。结果表明，9～10 ns后，底部的液膜厚度、气液交界处的净蒸发通量及换热系数分别在0.1～0.52 nm、0.03～0.07 kg/(m~2·s)、2.2～3.9 kW/(m~2·K)范围波动，此时上部液膜厚度在6 nm左右，其气液交界的净蒸发通量在10^-4量级，换热系数为0.028 kW/(m~2·K),至末期降为0.003 5 kW/(m~2·K)。本文为钠热管启动阶段的数值模拟提供了参考。     

单根C/C翅片热管传热分析及优化

基于吸液芯纯导热传热模型,建立热管式辐射器传热单元三维数学模型。使用PHOENICS程序对模型进行求解,得到铜和C/C两种翅片热管稳态运行时的工作特性。与铜翅片相比,C/C翅片整体等温性更好,能够高效地辐射散热;同时可以降低传热单元的质量。若蒸发段壁温较低,增大翅片宽度,传热单元中的热管会遇到声速极限,传热功率受到限制;提高蒸发段壁温,则热管声速极限现象消失。C/C翅片热管传热优化分析结果表明,翅片宽度不宜大于100 mm,厚度以0.6 mm最佳。     

热管堆堆芯基体结构高温力学行为分析

为研究热管堆堆芯基体结构高温下的热应力失效行为，以简化的多孔基体结构为研究对象，结合Megapower 5 MW（热功率）热管堆的设计参数，制定了正常工况和异常工况2种工况下的高温试验方案，其中异常工况考虑了单根热管失效。宏观检测结果显示基体结构未发生明显的变形与失效，结合数值分析方法获得了基体结构在2种工况条件下的温度分布和应力-应变响应，进一步说明了在试验条件下基体结构并不会发生静强度失效和塑性垮塌失效。本研究为明确热管堆堆芯基体结构的强度设计准则奠定了基础。     

高温锂热管三相耦合数值模拟

为了研究锂热管的传热机理,推动锂热管在小堆中的应用。采用COMSOL Multiphysics软件,建立了管壁、吸液芯和管内蒸气腔室的固液气三相耦合模型,对热管的温度分布、压力分布和速度分布进行计算。结果表明:当蒸发段的热流从13.9 kW增加到20.8 kW时,管壁温度、蒸气温度、蒸气压力以及吸液芯内部的液体压力、液体轴向速度随着加热功率的增加而增加,蒸气轴向速度随着加热功率的增加先增加后降低。在稳态运行时,管壁温度呈现阶梯形下降,而蒸气温度和压力基本保持不变,表明了锂热管具有良好的等温性。      

基于多物理耦合的高温热管流动传热和力学特性研究

研究高温碱金属热管内工质的流动、传热和力学特性,对热管冷却反应堆的安全具有重要意义。本文采用COMSOL Multiphysics有限元软件构建了高温碱金属热管的多物理耦合模型,针对热管内工质的流动传热特性以及管壁的热膨胀效应进行了数值模拟研究。结果表明：本文模型的计算结果与实验值的相对误差小于1%,可准确模拟高温热管的流动传热特性;在额定功率下,沿轴向的压力梯度和温度梯度较小,说明热管具有较好的等温性,但相比于冷态有最大1.75%的总形变;热管的传输功率提高会显著影响热管内工质的运行状态,同时加大热管的形变量。     

液态金属高温热管传热极限研究

热管作为一种高效可靠、可进行长距离传热的非能动设备,在核能领域有着广泛的应用。本文针对工质为钠、充液量为158 g与208 g的毛细驱动热管,对其传热极限开展实验和理论研究。实验方面,设计搭建了高温热管传热极限测试分析实验平台,研究了液态金属高温热管在不同水平倾角和不同加热功率下传热功率的变化。理论方面,验证了连续流动极限与夹带极限理论模型的正确性,总结了两种极限的发生规律。研究发现,热管连续流动极限影响热管的启动;由于水平夹角较大时转变温度较高,因此大角度下的热管更容易发生连续流动极限,小角度下经验模型的预测误差在6.58%以内,大角度下误差超过28%。夹带极限发生时热管蒸发段温度骤升且冷凝段温度出现波动,热管倾角越大夹带极限越容易发生,经验模型在不同角度下均存在误差,大角度下误差超过100%。本文总结了连续流动极限与夹带极限的发生规律,为先进核反应堆系统中热管的设计提供参考。     

基于分离式热管换热器的非能动安全壳热量导出系统实验研究

非能动安全壳冷却系统（PCS）是核电厂用以预防和缓解严重事故的重要系统，分离式热管换热器作为一种高效的热交换设备，是其优先设计选项之一。本文介绍了基于分离式热管换热器的PCS原理实验台架的比例设计方法、实验系统和实验结果，分析了热管换热器在特定工况下的换热特性及功率极限，并论证了基于分离式热管换热器的PCS的设计可行性。结果表明：分离式热管单位热端面积换热量可达61 kW，有应用于PCS的潜力；热管的换热性能随冷热端温差的降低而降低，随真空度的提高而升高。     

不凝性气体对高温锂热管传热特性的影响研究

热管作为一种具有高热导率的传热装置,工作核心在于其内部工作流体的蒸发和冷凝。若热管工作过程中气腔内存在不凝性气体,主流区中蒸气和不凝性气体在对流运动的作用下将一起移动到气-液分界面,不凝性气体的存在阻碍了工作流体在气-液交界面处的正常冷凝。本文基于热阻网络法添加了不凝性气体区域传热模型,研究了不凝性气体对高温锂热管稳态传热特性的影响。结果表明,热管达到稳态时不凝性气体的存在缩短了热管的有效传热长度,破坏了热管的等温性和良好的传热效率。此外随着不凝性气体体积份额的增大,不凝性气体区域温度降低幅度越大;随着热管蒸发段输入功率的增大,热管正常工作区域整体温度越高,相同质量的不凝性气体占据的体积份额越小,热管壁面温度出现明显温度梯度降低的位置随着功率升高而向下游移动。     

海洋静默式热管反应堆热工水力特性研究

安全可靠的能源供给是无人水下潜航器（UUV）发展的关键基础,本研究面向我国重型海洋UUV研发的能源需求,提出了海洋静默式热管反应堆（NUSTER-100）小型核电源概念设计。建立了包括堆芯功率模型、堆芯通道传热模型、热管传热模型、热电转换模型及冷端换热模型等热管反应堆系统数学物理模型,基于高效稳健的数值算法和模块化编程思想,开发了具有自主知识产权的热管反应堆稳态和瞬态热工水力特性分析程序HEART,采用热管实验、温差发电实验等数据对HEART程序关键模块进行了验证与确认。采用HEART程序对NUSTER-100的稳态、冷启动瞬态及反应性引入瞬态工况进行了计算分析,获得了NUSTER-100满功率稳态工况下的热工水力特性,基于冷启动瞬态热工水力分析,提出了具有较高安全性的三段式热管反应堆启动方案,评估了反应性引入瞬态工况下热管反应堆的自稳特性和安全性。本研究可为我国UUV及热管反应堆技术的发展提供理论和技术支持。     

以R134a为工质的乏燃料池非能动冷却热管实验研究

随着分离式热管不断被提出用于核电站非能动余热排出方案中,开展针对大尺度分离式热管的换热性能的实验研究变得日益迫切。为此,本文开展了以R134a为工质的304不锈钢材质的分离式热管传热特性实验研究,获得了热管整体换热性能、蒸发段内部温度分布特性,以及热源温度和冷凝段外风速对热管工作温度、换热量、换热系数和循环流量的影响。热管蒸发段内R134a经历过冷、两相和过热状态,其中两相区域较长,达6.6 m,因而具有较好的换热能力,在所研究的工况下换热量最高达21 kW。参数敏感性分析表明,热源入口温度和冷凝段风速的增大能促进热管的换热性能,特别是热源入口温度的影响更显著。冷凝段风速较小时,其对换热量的影响较为显著,然而随空气速度的增加,影响降低。此外,依据试验数据拟合得到了换热量与冷热源温差的经验关系式,能在工程应用中快速预测热管的性能。     

兆瓦级热管反应堆堆芯核热特性研究

基于美国MegaPower兆瓦级热管反应堆设计方案,本文利用蒙特卡罗软件OpenMC与有限元分析软件COMSOL开展堆芯核热特性研究。研究表明：堆芯轴向功率分布呈先升高后降低趋势,且下半段功率水平比上半段高。径向功率随径向距离的增大而降低,在靠近径向反射层处出现反弹升高,且这些区域的功率分布明显受转鼓组件的影响。“大小转鼓”的设计方案不利于兆瓦级热管反应堆的反应性控制。边界区域位置热管失效会造成更高程度的基体/燃料温度上升。3根热管失效工况下的燃料棒温升是2根热管失效的32倍。即使3根热管失效的极端事故工况下,堆芯基体及燃料棒峰值温度仍在安全限值内,表明兆瓦级热管反应堆这种固态导热堆芯的优越安全性。     

高温钾热管稳态运行传热特性研究

本文采用钾金属作为热管工质，对热管的传热性能展开理论和实验研究。首先，对不同加热功率和倾角下热管传热性能影响规律进行实验研究。结果表明，热管加热功率的提升有利于传热性能的改善，加热功率升高导致蒸发加剧，蒸气密度增加，进而强化蒸气传热。倾角对传热性能有正反两方面的作用。一方面，随倾角的增加冷凝段液膜不稳定性加剧，导致传热恶化；另一方面，倾角的增加导致重力加速液体工质回流并减薄冷凝段液膜，传热增强。在二者的共同作用下，随倾角的增加，热管等效热阻逐步增加且超过某一限值后趋于平稳。其次，以热阻网络法为指导，建立了钾热管的数学物理模型，并基于模块化程序思想，开发了热管设计分析程序。通过与实验数据对比，二者整体误差在2.7%以内，验证了热管模型的合理性。本文对碱金属高温热管的设计优化提供了数据及理论支持。